Проблемы безопасности ядерной энергетики, захоронение отходов

Отходы низкой активности захораниваются на территории АЭС. Отходы средней и высокой активности захораниваются в централизованных хранилищах на длительное время. Принимаемые меры по очистке и локализации твердых, жидких и газообразных отходов позволяют обеспечить надежную защиту окружающей среды от радиоактивного заражения при эксплуатации АЭС.

Следует отметить, что хотя предприятия ядерного топливного цикла и производят различные отходы, они, тем не менее, не являются промышленными «выбросами» в традиционном понимании этого слова. Их надежное хранение и размещение обеспечивает безопасность. Фактически атомная энергетика - единственная отрасль промышленности, которая берет полную ответственность за все свои отходы и полностью оплачивает расходы по их содержанию и утилизации.

Сейчас в мире имеется два различных подхода к вопросу об обращении с радиоактивными отходами: первый заключается в переработке отработанного топлива с целью отделения высокоуровневых отходов с их последующим остекловыванием (или битумированием) и захоронением, а второй - в прямом захоронении отработанных тепловыделяющих элементов вместе с содержащимися в них отходами высокого уровня радиации. В России созданы технологии и реализуется первый метод обращения с ОЯТ. Переработка предотвращает излишний расход ценных ресурсов, потому что в своем большинстве отработанное топливо содержит до 1 процента делящегося изотопа U-235 и несколько меньшее количество плутония.

Каково реальное положение с РАО атомных электростанций России? АЭС являются местами хранилищ радиоактивных отходов, возникающих помимо отработавшего топлива. На территории АЭС России хранится около 300 тыс. м3 РАО общей активностью порядка 50 тыс. кюри. Ни на одной атомной электростанции нет полного комплекта установок для кондиционирования РАО. Производится упаривание жидких РАО, а полученный концентрат хранится в металлических емкостях, в некоторых случаях предварительно отверждается методом битумирования. Твердые РАО помещаются в специальные хранилища без предварительной подготовки. Только на трех АЭС имеются установки прессования и на двух станциях — установки сжигания твердых РАО. Этих технических средств явно недостаточно с позиций современного подхода к обеспечению радиационной и экологической безопасности. Очень серьезные трудности возникли в связи с тем, что хранилища твердых и отвержденных отходов на многих российских АЭС переполнены. На большинстве АЭС нет полного комплекта технических средств, необходимых с позиций современного подхода к обеспечению радиационной и экологической безопасности. Атомная энергетика не может существовать иначе, как нарабатывая всё новые и новые количества искусственных радионуклидов, в том числе плутония, которых до начала 40-х годов прошлого века природа не знала и к которым не адаптирована.К настоящему времени в результате эксплуатации энергоблоков АЭС с реакторными установками ВВЭР и РБМК в хранилищах различного типа и принадлежности находится около 14 тыс. т отработавшего ядерного топлива, его суммарная радиоактивность 5 млрд Ки (34,5 Ки на каждого человека). Большая его часть (около 80%) хранится в приреакторных бассейнах выдержки и станционных хранилищах ОЯТ, остальное топливо - в централизованных хранилищах завода РТ-1 на ПО «Маяк» и на Горно-химическом комбинате (ГХК) под г. Красноярском (ОЯТ ВВЭР-1000). Ежегодный прирост ОЯТ составляет около 800 т (от реакторов ВВЭР-1000 ежегодно поступает 135 т ОЯТ).

5.1 Откуда появляются отходы?

Для каждого типа накопителей (хвосто- и шламохранилища, накопители производственных сточных вод, пруды-отстойники, накопители-испарители) определены требования по защите от загрязнения почвы, подземных и поверхностных вод, по снижению концентрации вредных веществ в воздухе и содержанию опасных веществ в накопителях в пределах или ниже ПДК.

Схема, приведенная ниже, показывает различные сектора, включенные в ядерный топливный цикл.

Рис. 4. Сектора, включенные в ядерный топливный цикл

Строительство новых накопителей промышленных отходов допускается только в том случае, когда представлены доказательства того, что не представляется возможным перейти на использование малоотходных или безотходных технологий или использовать отходы для каких-либо других целей.

Это отходы, которые нельзя отнести к стандартным выбросам и которые требуют хранения и удаления после обработки.

Добыча. Рудничные хвосты, остающиеся в процессе добычи и дробления, - основные отходы от добычи. После завершения действий, связанных с добычей методом открытой разработки, отходы в большинстве случаев помещаются назад в карьер, откуда была первоначально извлечена урановая руда, а участок реабилитируется для повторного использования. Там, где это невозможно, используются специально спроектированные хвостохранилища по обращению с отходами горных выработок, выведенных из эксплуатации, а участок будет восстанавливаться до тех пор пока не будет гарантировано превращение этого хранилища в долговременную стабильную структуру.

Производство топлива. Процесс производства топлива включает три фазы, а именно конверсию, обогащение и изготовление топлива. Небольшие количества жидких и твердых отходов, содержащих уран, производятся в течение обогащения урана и изготовления топлива. Обедненный уран, остающийся после обогащения, обыкновенно восстанавливается. Он повторно используется (с рециклируемым плутонием) для изготовления смешанного оксидного топлива и разбавления высоко обогащенного урана от демонтированного оружия, который теперь используется для реакторного топлива. Производятся небольшие объемы отходов, которые упаковываются для хранения и удаления. Отходы, сгенерированные от этих действий, в общем случае классифицируются как долгоживущие отходы низкого или промежуточного уровня активности.

Реакторы. Отходы высокого уровня активности (HLW) – основной источник отходов в пересчете на активность, возникающий в результате использования ядерных реакторов для производства электроэнергии. Высокорадиоактивные продукты деления и трансурановые элементы нарабатываются из урана и плутония в течение всего срока эксплуатации реактора и содержатся в основном в составе отработанного топлива. В тех странах, где исповедуется замкнутый ядерно-топливный цикл и применяется процесс переработки материалов, содержащихся в отработанном топливе, продукты деления и трансурановые элементы отделяются от урана и плутония и обрабатываются как HLW (а уран и плутоний повторно используются как топливо в реакторах). В странах, где отработанное топливо не перерабатывается, само отработанное топливо рассматривается как отходы и поэтому классифицируется в качестве HLW. 

Отходы низкого и промежуточного уровня активности образуются в результате операций по очистке систем охлаждения реактора и водоемов хранения топлива, дезактивации оборудования, фильтров и металлических компонентов, которые стали радиоактивными в результате их использования в реакторе или возле него.

Стандартный большой реактор на легкой воде (1 ГВт (э)) производит ежегодно 200-350 м3 отходов низкого и промежуточного уровня. В случае, когда отработанное топливо рассматривается в качестве отходов, производится ежегодно 20 м3 (30 тонн) высокоактивных отходов (HLW), что соответствуют объему в 75 м3 для удаления после формирования пакета. Когда тот же самый объем отработанного топлива перерабатывается, то производится лишь 3м3 остеклованных отходов (стекла), что эквивалентно объему в 28 м3 после размещения в ёмкостях для удаления.

 Переработка. Продукты  деления и трансурановые элементы, содержащие долгоживущие радиоактивные  изотопы - основные отходы от переработки. После их отделения от урана  и плутония (процесс PUREX) в отработанном  топливе (уран и плутоний после  этого повторно используются  как топливо в реакторах) продукты  деления и трансурановые элементы  остекловываются в боросиликатном стекле и инкапсулируются для хранения в контейнеры из нержавеющей стали. Для возможного захоронения глубоко под землей в настоящее время предусматривается, что эти контейнеры будут иметь дополнительное внешнюю оболочку (наружный контейнер) в виде больших стальных бочек.

 Вывод из эксплуатации. После закрытия ядерной установки  здания и сооружения, в которых  она размещается, прежде всего, дезактивируются  и демонтируются. В случае вывода  из эксплуатации ядерных реакторов  сначала удаляется все отработанное  топливо, составляющее 99 % радиоактивности  реактора. Большая часть отходов, образующихся при выводе из  эксплуатации, являются отходами  низкого уровня активности, а  именно являются следствием поверхностного  загрязнения внутренних поверхностей  рассматриваемых объектов. Отходы промежуточного уровня активности также образуются при демонтаже внутренних конструкций реактора. 

Много отходов при выводе из эксплуатации ядерных установок образуется при демонтаже строений, находящихся в пределах ядерной установки, но не подвергавшихся воздействию радиации или радиоактивных материалов, например, газотурбинного зала и административных зданий. Эти сооружения выводятся из эксплуатации с использованием обычных методов, а образовавшиеся при этом отходы после переработки могут повторно использоваться или вывозиться на общегородские свалки мусора.

5.2 Обращение с  отходами

Процессы обработки и кондиционирования используются для трансформации радиоактивных отходов в формы, подходящие для последующего обращения с ними, например, перевозки, хранения и окончательного удаления. Защита людей и окружающей среды от радиации и возможной дисперсии радиоактивных материалов - самые важные приоритеты промышленности.

Основные цели состоят в том, чтобы минимизировать объем отходов, для которых требуется обращение через процессы обработки и уменьшить потенциальную опасность отходов путем их кондиционирования в устойчивые твердые формы, которые фиксируют их в неподвижном состоянии и обеспечивают их сдерживание, гарантируя безопасное обращение с отходами в течение их перевозки, хранения и окончательного удаления.

Необходимо отметить, что выбор используемых процессов зависит от уровня активности и типа (классификации) отходов. Политика в области обращения с ядерными отходами каждой страны и ее национальные нормативы также влияют на принятый подход.

Уплотнение - зрелая, высокотехнологичная и надежная технология уменьшения объема, которая используется при переработке РАО, главным образом, при обращении с твердыми промышленными отходами низкого уровня активности (LLW). Некоторые страны (Германия, Великобритания и США) также используют эту технологию для уменьшения объема промышленных отходов промежуточного уровня активности ILW/трансурановые (TRU). Диапозон установок для уплотнения может быть достаточно широк: от систем уплотнения с низкой силой давления (~5 тонн или выше) до прессов с силой уплотнения более 1000 тонн, которые называются суперуплотнителями. Коэффициенты уменьшения объема обычно находятся между 3 и 10, в зависимости от обрабатываемых отходов.

Уплотнение с низкой силой давления осуществляется на гидравлических или пневматических прессах для сжатия отходов в подходящие для этого контейнеры, например, металлические бочки емкостью в 200 литров. Для достижения суперуплотнения большой гидравлический пресс сминает непосредственно металлическую бочку или другой приемный резервуар, содержащий различные формы твердых отходов низкого или промежуточного уровня активности (LLW или ILW). Металлическая бочка или контейнер удерживается в пресс-форме в течение уплотняющего хода суперуплотнителя, который до минимума уменьшает наружный размер бочки или контейнера. Сжатая металлическая бочка затем снимается с пресс-формы, и процесс повторяется. Две или больше смятых бочек, также называемые таблетками, затем герметизируются внутри контейнера для промежуточного хранения и/или окончательного удаления.

По своей конструкции установка суперуплотнения может быть передвижной или стационарной, снабженной как базовой системой ручного управления, с минимумом вспомогательного оборудования, так и детально разработанной системой компьютерного управления, которая выбирает металлические бочки, предназначенные для обработки, измеряет вес и уровни излучения, сжимает бочки, размещает сжатые бочки в наружные контейнеры, герметизирует наружные контейнеры, записывает данные о содержании бочек и наружных контейнеров в автоматизированные системы памяти.

Технология сжигания (прокаливания) в основном используется для уменьшения объема горючих отходов низкого уровня активности. Это - технология, которая является также предметом беспокойства населения во многих странах, поскольку местных жителей волнует проблема образующихся при сжигании выбросов в атмосферу. Тем не менее, эта технология может использоваться для обработки как жидких, так и твердых отходов - древесины, бумаги, одежды, резины, а также органических отходов. Пока она используется согласно строгим нормам, установленным для выбросов в атмосферу.

Современные системы сжигания - хорошо спроектированные, высоко технологичные процессы, разработанные для полного и эффективного сжигания отходов с минимальным количеством выделений. После отделения горючих отходов от негорючих составных частей, отходы сжигают (прокаливают) в специально спроектированной печи для обжига и сушки при температуре до ~1000oC. Любые газы, выделившиеся во время прокаливания, обрабатываются и отфильтровываются до их выпуска в атмосферу и должны контролироваться на предмет соответствия международным эталонам и национальным нормам выпуска выбросов в атмосферу.

После прокаливания остается зола, которая содержит радионуклиды, для нее может потребоваться дальнейшее кондиционирование вплоть до удаления, например, посредством цементирования или битуминизации. Если это будет рентабельно, для дальнейшего снижения объема зольных отходов может также использоваться технология уплотнения. Достигнуты коэффициенты снижения объема вплоть до 100 в зависимости от плотности отходов.

Цементирование с помощью жидких цементных растворов, приготовленных по специальным рецептам, позволяет обеспечивать иммобилизацию радиоактивных материалов, находящихся в твердом виде, в виде ила и осадков/гелей или активированных материалов.

Как правило, твердые отходы помещаются в контейнеры. Затем в этот контейнер заливается жидкий цементный раствор, где он и схватывается. Далее контейнер с теперь уже монолитным блоком бетона / отходов пригоден для хранения и удаления. В случае если отходы находятся в виде ила и хлопьев, в контейнер, куда они помещаются, добавляется порошковая цементная смесь. Эти два компонента смешиваются внутри контейнера и оставляются для схватывания бетона, также как и при обращении с отходами в твердом виде.

Этот процесс использовался, например, для отходов среднего уровня активности в небольших бочках из-под нефтепродуктов и в 500-литровых контейнерах, затем его применение было расширено на половину контейнеров ISO (Международная организация по стандартизации) для отходов низкого уровня активности.